di Lorenzo Aiello per Social Up.
Dopo vari mesi di rumors, lo scorso 11 febbraio la collaborazione americana LIGO e la italo-francese VIRGO (a cui partecipano anche Olanda, Polonia e Ungheria) hanno annunciato, in due conferenze stampa simultanee, la prima rivelazione diretta delle onde gravitazionali ad opera dei due interferometri gravitazionali americani di LIGO (l’interferometro VIRGO era, ed è tutt’ora, in una fase di aggiornamento degli strumenti che terminerà verso la fine di quest’anno). A queste due conferenze stampa ne è seguita un’altra qualche settimana fa, il 15 giugno, in cui le due collaborazioni hanno presentato l’analisi dati completa dei 4 mesi di osservazione annunciando, tra l’altro, la rivelazione di un secondo segnale di onde gravitazionali avvenuta il 26 dicembre 2015. Qualche settimana prima che LIGO captasse quest’altro segnale, avveniva qualcosa di altrettanto importante per l’astronomia gravitazionale: il 3 dicembre 2015, infatti, veniva lanciato LISA Pathfinder, un prototipo di rivelatore spaziale di onde gravitazionali da cui poi verrà sviluppato, in caso di successo di questo prototipo, la missione LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Lo scopo del lancio del Pathfinder è stato quello di testare le tecnologie della futura spedizione e, di conseguenza, valutarne l’effettiva realizzabilità.
Perché un interferometro gravitazionale nello spazio?
Per chi non segue il mio blog, ho già descritto brevemente il principio di funzionamento di un interferometro gravitazionale in questo mio precedente articolo (se volete capire meglio il contesto o qualche dettaglio tecnico di quanto segue, vi consiglio di dargli una rapida occhiata). Gli interferometri gravitazionali terrestri (come VIRGO e LIGO) hanno un grosso problema: purtroppo, non possono captare segnali di onde gravitazionali di frequenze inferiori a circa 10 Hz a causa del disturbo causato, in prevalenza, dalle onde sismiche superficiali (chiamato in gergo tecnico rumore newtoniano). Si può provare a ridurre gli effetti di questo disturbo costruendo degli interferometri sotto terra, come farà ad esempio il rivelatore giapponese (in costruzione) KAGRA e quello di terza generazione ET (Einstein Telescope), ma l’unico approccio per eliminarlo e rivelare un’onda gravitazionale con frequenza ben al di sotto di 1 Hz è di costruire un interferometro nello spazio: da qui la proposta e l’attuale progettazione della missione LISA.
La prima idea di costruire un interferometro nello spazio risale al 1985, ma la missione LISA così come la conosciamo comincia a prendere corpo nel 1998. La missione prevedeva una collaborazione tra l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e la NASA. Tuttavia nel 2011 l’agenzia americana comunica che, a causa di una riduzione dei finanziamenti, non è più in grado di poter collaborare a questo progetto. La missione viene quindi ridisegnata, diventando eLISA (evolved LISA).
La sfida, fisica e tecnologica, non è affatto semplice. L’idea è quella di mandare tre navicelle nello spazio in orbita intorno alla Terra in modo che ognuna di esse spari un fascio laser verso le altre creando così un interferometro “a tre bracci”, come si vede nella figura qui accanto. A seguito del ritiro della NASA, la configurazione è stata rivista e semplificata: sono ancora previste tre navicelle, ma una nel ruolo di “madre” che spara due fasci laser a due navicelle “figlie” che li ricevono e li rimandano indietro (ma tra le quali non c’è più un fascio inviato/riflesso).
È facile intuire che la costruzione di un dispositivo di questa complessità presenta non poche problematiche. La prima difficoltà risiede nelle distanze: queste navicelle dovrebbero essere situate a 1 milione di km (sì, 1.000.000 km) una dall’altra (e il progetto originale prevedeva una distanza addirittura di 5 milioni di km!). Ovviamente, alla luce di questi numeri, la seconda è fare in modo che il laser riesca a percorrere una distanza così enorme per ben due volte (andata e ritorno tra due navicelle). Si è pensato di ovviare al problema utilizzando un sistema analogo ad un trasponder: ciascuna navicella anziché riflettere il raggio laser ricevuto per rimandarlo indietro, lo ricostruirà e ritrasmetterà ovviando in parte al problema di dispersione di energia sulla grande distanza. Un po’ come usare la fotocamera del vostro cellulare per “specchiarvi”, invece dello schermo spento dello smartphone, che riflette poco la vostra immagine: usare la fotocamera in modalità selfie vi permette di ottenere ovviamente un’immagine molto più nitida di voi stessi.
A queste si aggiunge un ulteriore complicazione: un interferometro gravitazionale ha due cavità in mezzo alle quali passa una luce laser. Agli estremi della cavità sono posizionati due specchi, che permettono al laser di fare avanti e indietro nella cavità diverse volte. Negli interferometri terrestri questi specchi, dette masse di prova, sono sospesi “in caduta libera” con tutta una serie di strumentazioni che nello spazio non si possono riprodurre. Di conseguenza, in LISA le masse di prova (dei cubetti riflettenti di 46x46x46 cm) fluttueranno liberamente nello spazio senza toccare le pareti dei rispettivi alloggiamenti in cui sono inseriti. Per impedire il contatto una serie di sensori monitorerà la posizione dei cubetti rispetto agli alloggiamenti, inviando eventualmente un segnale a dei micropropulsori posti sulla navicella che si attiveranno per correggere la posizione della navicella ed evitare il contatto.
Tutte le problematiche che abbiamo spiegato fin qui hanno portato alla decisione di di testare prima un prototipo, LISA Pathfinder per l’appunto, per verificare l’effettiva realizzabilità del progetto nella sua interezza. Come accennato prima, lo scorso 3 dicembre è stato lanciato il Pathfinder ed il 7 giugno sono stati annunciati gli esiti dei test condotti su tutte le componenti del prototipo e che si sono rivelati di gran lunga migliori delle aspettative.
Dunque la missione, salvo altri stravolgimenti, si dovrebbe fare, sebbene i tempi siano abbastanza lunghi. Al momento l’agenzia spaziale europea non ha ancora messo la data ufficiale per LISA nella sua Cosmic Vision, una sorta di agenda in cui vengono pianificati e fissati tutti i lanci e i tempi di attività delle future missioni scientifiche nello spazio. In questo contesto LISA rientrerebbe nelle cosiddette “missioni L” (Large). Le prime due già confermate sono JUICE per L1 (lancio nel 2022) e ATHENA per L2 (lancio nel 2028). La missione L3 ancora non è ufficiale ma, alla luce dei risultati del Pathfinder e delle recenti scoperte degli esperimenti LIGO-VIRGO, è molto probabile che LISA venga designata per essa. L’eventuale lancio è previsto per il 2034: il rumore newtoniano sarà dunque padrone delle basse frequenze ancora per un (bel) po’!
Lorenzo Aiello è laureato magistrale in Fisica e attualmente dottorando in Fisica delle Astroparticelle presso il Gran Sasso Science Institute a L’Aquila.
La sua area di interesse e ricerca è quella delle Onde Gravitazionali, in particolare quella riguardante lo sviluppo e l’ottimizzazione di alcune componenti sperimentali dell’esperimento Advanced Virgo (di cui fa parte dal 2015).
